Le nouveau protocole proposé par des physiciens du CNRS prévoit de changer l’état d’un système mécanique sans qu’il ne s’échauffe. Il s’avère bien plus rapide que la limite imposée par la relaxation thermique. En l’appliquant au contrôle d’une microparticule piégée par des pinces optiques, ils ont démontré une accélération d’un facteur 100.

Agir vite et attendre ou agir lentement : c’est bien souvent le seul choix de qui veut changer l’état thermodynamique d’un système sans en changer la température. L’archétype de cette situation est la compression d’un gaz : s’il est comprimé rapidement, il s’échauffe et il faut attendre pour que sa température redescende à sa valeur initiale, et si l’on souhaite qu’il ne s’échauffe pas, il faut procéder lentement (le système est en contact avec un thermostat).

Des physiciens du Laboratoire de Physique (Univ. Lyon 1/ENS Lyon/CNRS), du Laboratoire de Physique Théorique et Modèles Statistiques (LPTMS, CNRS/Univ. Paris-Sud et Univ. Paris-Saclay) et du Laboratoire Collisions, Agrégats, Réactivité (LCAR, CNRS/Univ. Toulouse 3) viennent de démonter qu’une alternative est possible. Le protocole qu’ils proposent permet d’effectuer une transformation rapide qui amène le système à la fois dans l’état thermodynamique souhaité tout en assurant une température finale égale à la température initiale.

Ce résultat a été possible grâce à une collaboration étroite entre les théoriciens et les expérimentateurs des trois laboratoires, et à la qualité du système de piège optique 3D construit au Laboratoire de Physique de l’ENS Lyon.

Le principe

Le principe est d’effectuer une première transformation qui « dépasse » l’état souhaité, pour y revenir dans un second temps en suivant une dynamique très précise (prootocole nommé ESE). In fine, les limites ultimes n’ont plus trait aux échanges thermiques, mais relèvent uniquement de la précision de la modélisation du système physique, et des capacités expérimentales de modulation rapide des paramètres de contrôle. Ce travail est publié dans la revue Nature Physics.

Une bille observée

Dans ce travail, les physiciens ont considéré une bille en silice de 2 microns piégée par une pince optique, c’est-à-dire un faisceau laser focalisé qui attire la particule dans la région d’intensité maximale. D’un point de vue thermodynamique, ce système peut être vu comme un gaz à une particule placée dans la boite de taille variable que constitue le piège. En changeant l’intensité du laser, les chercheurs modifient la raideur du piège et en quelque sorte la taille de la boite qui contient la particule. Leur objectif est alors de réduire la taille du piège sans augmenter l’énergie d’agitation thermique de la particule. En modélisant fidèlement ce système, les chercheurs ont déterminé un protocole de transformation 100 fois plus rapide que la solution consistant à réduire rapidement la taille et à attendre la thermalisation de la particule (protocole appelé STEP dans la figure ci-dessus). En pratique leur protocole consiste à augmenter transitoirement la raideur très au-delà de la valeur finale demandée, pour revenir avec la "bonne" évolution temporelle à la valeur souhaitée à la fin de la transformation.

Cette idée peut s’adapter à de nombreux systèmes, par exemple le contrôle du mouvement de la pointe d’un microscope à force atomique pour de l’imagerie rapide. Elle présente aussi un fort potentiel d’application sur les micro et nano systèmes, où la réduction du temps de réponse est un objectif aussi important que la miniaturisation.